CN110717251B - 一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，涉及分布式水文模型计算单元划分应用技术领域，包括如下步骤：计算待划分流域各栅格流向和汇流累积数；设定伪河段长度阈值并删除；设定子流域划分的单点分割位置；对大面积水体进行编码并进行边界修改；对所述模拟河网栅格进行溯源检索，同时进行编码；以每一个模拟河网栅格作为起点，根据栅格流向对非模拟河网栅格进行溯源遍历，将所有汇入当前模拟河网栅格的非河网栅格的陆面编码设置为该模拟河网栅格的河网编码；生成子流域上下游拓扑关系表。本方法能够综合考虑子流域划分过程中的单点分割需求、将水库湖泊水面自动化处理划分到同一个子流域内。

Description

一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法

技术领域

本发明涉及分布式水文模型计算单元划分应用技术领域，尤其涉及一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法。

背景技术

分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程和机理的有效手段，也是解决许多水文实际问题的有效工具。在大流域模拟中，采用子流域划分方式能够保证一定模拟精度的同时缩短模型运行时间。子流域划分程度决定了模型模拟的精度。常规的子流域划分主要依赖天然水系分岔，将流入同一河段的区域划分为统一个子流域。这样往往会导致个别子流域面积过大，而且在模拟某些特定断面径流的时候只能采用上下游的断面模拟值代替，引起误差。有研究对这类问题进行了探索，使得能够针对同一河段上考虑人工取水口、水文站等位置进行子流域划分以及处理多个河段汇入同一河段的情况。在新时期分布式模型应用中，尤其在水量水质耦合模拟方面，希望能够将同一个水库、湖泊水体划分到单一的子流域内，从而能够将该类水体作为单一对象进行处理。另一方面，由于研究流域大，下垫面复杂，需要一套快捷有效的方法，在考虑以上多种因素影响基础上，能够自动完成子流域划分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，包括如下步骤：

S1，以DEM数据为基础，计算待划分流域各栅格流向和汇流累积数，并基于汇流累积数采用某阈值提取模拟河网；

S2，设定一个伪河段长度阈值，使用该阈值将S1步骤提取的模拟河网中长度小于该阈值的河段删除；

S3，设定子流域划分的单点分割位置，用于在子流域划分的时候在相应位置断开形成2个子流域；

S4，将研究区内需要单独考虑的大面积水体进行自然数编号，并参照模拟河网位置适当进行边界修改，使得大面积水体范围内的模拟河网是连通的；

S5，对模拟河网从流域出口开始依次对所述模拟河网栅格进行溯源检索，同时对各模拟河网栅格按河段进行编码，并记录各编码之间的上下游关系及所在大水体编号；请注意，在编码过程中需要综合考虑单点分割位置、大面积水体范围、多支汇流等情况，并记录各编码之间上下游关系以及所在大水体编号；

S6，以每一个模拟河网栅格作为起点，根据栅格流向对非模拟河网栅格进行溯源遍历，将所有汇入当前模拟河网栅格的非河网栅格的陆面编码设置为该模拟河网栅格的河网编码；模拟河网栅格位置的陆面编码等于其河网编码；陆面编码是子流域编码的翻转；

S7，对S6步骤确定的陆面编码进行翻转处理，即采用最大编号减去栅格的编号再加1，得到栅格的子流域编码，从而对整个流域进行划分，同时生成子流域上下游拓扑关系表。

优选地，步骤S1中采用Gis软件的水文分析模块计算栅格流向和汇流累计数，具体包括：

所述栅格流向采用D8算法计算得出，即流向周边8个栅格中坡度最陡的栅格；汇流累积数是上游所有流入当前栅格的栅格数量。

优选地，步骤S1中计算栅格流向之前，可对DEM进行修正，即将实际河网位置所在栅格高程降低，增强相应汇水能力，提高模拟河网正确性。

优选地，步骤S1中提取模拟河网的阈值是定义某个栅格是属于模拟河网栅格或者非模拟河网栅格的汇流累积数大小，大于该阈值的栅格定义为模拟河网栅格，否则定义为非模拟河网栅格；

所述阈值通过试验从小逐渐加大，使得提取的模拟河网在源头区可以同实际河网源头相一致。

优选地，为了防止将源头的分岔河段都剔除了，步骤S2具体包括：在进行提取前需要根据栅格边长大小，将伪河段长度阈值转化成栅格个数n；实际剔除过程是先剔除1个栅格长度的伪河段，再剔除2个长度的伪河段，依次类推直到剔除n个栅格长度的伪河段。

所述的伪河段是指在没有河段的区域，因阈值设定，被错误提取的，是一种上游没有其他河段汇入的河段；

优选地，步骤S3中：所述单点分割位置指的是在子流域划分过程中，需要在对应位置设置控制断面，进而在模型模拟过程中可以给出该断面位置的径流过程，避免采用下游断面径流而引起误差；

所述单点分割位置包括水文站位置、山区平原区分界、水利枢纽位置、经济社会取水口位置、人为指定的其他分割位置等位置信息中的一个或多个。

该类位置信息存于一个栅格图层中，使用0表示对应栅格不是分割点，使用1表示该栅格是有效分割点。在使用时这些位置信息可有可无，根据具体研究情况确定，如果不考虑，只需提供一个全流域为0的栅格图层即可。

优选地，步骤S4中具体包括：

对所述大面积水体进行编号的时候，需要确保每个编号和每个独立的大面积水体一一对应，且不存在两个不同编号的水体相邻接；

当出现两个不同编号的大面积水体相临接的情况时，可通过修改所述两个大面积水体边界，使其分开或者将两个水体视做同一个水体进行处理；

大面积水体范围内的模拟河网连通指的是对其范围内的任意指定的一个模拟河网栅格，均能沿着范围内的模拟河网栅格连接到范围内的其他任意一个模拟河网栅格；

所述大面积水体包括水库、湖泊，所述大面积水体在模型模拟过程中需要划分到同一个子流域内。

优选地，步骤S5中：

所述的河网编码是从1开始的自然数序号，根据河段汇流情况逐渐增加；对位于同一河段的模拟河网栅格而言，上游模拟河网栅格编码等于其直接汇入的下游模拟河网栅格编码；当遇到步骤S3设置的单点分割位置或者有多个上游栅格汇入的情况或者上游汇入栅格所在大面积水体编号大于0，则上游模拟河网栅格编码等于下游模拟河网栅格编码+1；对于所在大面积水体编号大于0的模拟河网栅格而言，具有相同大面积水体编号的模拟河网栅格具有相同的河网编码，不论是否存在单点分割位置或者多个上游汇入；先对其内所有模拟河网栅格赋值水体出口模拟河网栅格的河网编码，再对汇入其内模拟河网栅格的上游河段按正常编码规则逐一进行编码；

一般情况下水系出口处模拟河网栅格编码从1开始依次递增，如果遇到多个相互独立的水系一同编码时，对这些水系逐个进行，编码完一个水系后再编码另一个水系，且此时后一个水系出口处模拟河网栅格编码等于上一水系最大编码+1；

在流域范围内河段编码发生增加的时候，需要在外部记录下新编码和其下游编码的上下游关系信息以及所在大面积水体编号。

优选地，步骤S6中具体包括：

从河流出口溯源遍历每一个模拟河网栅格，并以每个模拟河网栅格作为起点对所有非模拟河网栅格进行溯源遍历；

本步骤生成一个流域陆面编码的栅格图层，该编码是一个中间数据，用于S7步骤计算子流域编码，其中模拟河网栅格位置的陆面编码等于其河网编码，非模拟河网栅格的陆面编码等于其直接汇入的下游栅格的陆面编码，如此在模型应用中可以从1开始逐个进行模拟，此时可以确保当对某个子流域进行模拟的时候，其上游子流域已经完成了相关模拟。

优选地，步骤S7中：

所述子流域编码是步骤S6中得到的陆面编码进行翻转，即采用最大编号减去栅格的编号再加1，使得小编号的子流域位于流域上游，大编号的位于下游。并根据步骤S5中河网编码上下游关系进行整理，得到子流域上下游拓扑关系表，用于模拟过程中表征各子流域之间的上下游关系。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种考虑多要素的分布式水文模型子流域的划分方法，该方法能够综合考虑子流域划分过程中的单点分割需求、将水库湖泊水面划分到同一个子流域内。同时本发明提供的子流域划分方法能够实现程序自动化处理。

附图说明

图1是本发明实施例中分布式水文模型流域划分方法的流程图；

图2是本发明实施例中剔除短小河段的程序实现流程图；

图3是本发明实施例中剔除短小河段的示意图；圆黑点为模拟河网，白三角为剔除的伪河网，背景为高程，越黑表示高程越低；

图4是本发明实施例中对大水体修正的示意图；

图5是本发明实施例中对子流域进行编码的程序实现流程图；

图6是本发明实施例陆面编码流程图；

图7是本发明实施例子流域上下游拓扑关系表示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，包括如下步骤：

首先，根据研究区范围收集裁剪出比研究区范围稍大一点的DEM，并采用Gis软件中的水文分析模块，采用D8算法计算各栅格的流向，并根据流向计算各栅格汇流累积数。取一个模拟河网提取阈值，对汇流累积数进行条件判断提取模拟河网，即大于阈值的设置为1，小于阈值的设置为0。检查模拟河网和实际河网源头，如果模拟河网较短，则减小阈值重新提取，如果模拟河网较长，则增加阈值重新提取，直到模拟河网和实际河网源头相差不多为止。

其次，将设置的伪河段长度转化成栅格个数n，按图2流程剔除短河段，共进行n次，每次剔除过程中设置“最小河段长栅格数”为对应次数，即先设置“最小河段长栅格数”＝1剔除一遍短河网，再设置“最小河段长栅格数”＝2剔除一遍，一次类推到“最小河段长栅格数”＝n为止。图3展示了短河网剔除示意，其中白色的表示被剔除的短河网。

第三，新建一个<单点分割>栅格图层，初始设置所有栅格的值＝0，表示无分割。根据实际情况，在Gis中，将水文站、取水口等需要建立分割点的位置的栅格值设为1。需要注意的是，有时候这些点并不在模拟河网上面，需要根据就近原则将分割点设置为最近的模拟河网栅格位置上。

第四，根据实际情况，对流域范围内的水库湖泊斑块进行从1开始的编号。检查各水体矢量斑块是否有相邻，如果相邻则根据情况修改两者邻接边界使其分开，或者将两者设置一个相同的编号。叠合模拟河网进行检查，确保水体范围内所有的模拟河网栅格是连通的，如果有不连通的两段模拟河网河段，则需要修改水体边界，使得较小的那部分河段位于范围之外。将修改后的水库湖泊矢量图转成栅格图层<大水体>，其中非水体范围栅格设置值＝0，水体范围值＝水体编号。例如图4所示，对初始大水体而言，模拟河网在水体范围内不连通，需要修正大水体范围，使得模拟河网在新的大水体范围内连通。

第五，根据图5流程逐栅格对河网中的各河段进行编码，得到模拟河网各河段的编码。基本思路是，从某个模拟河网出口栅格开始，溯源遍历检查，首先核实工作栅格是否位于水库湖泊大水体内，如果位于，则循环遍历大水体范围内所有模拟河网栅格并赋值当前河网编码，将当前大水体编号同当前模拟河网编码相关联，并统计流入水库湖区范围内的上游河网栅格数目；如果不位于，则标记当前河网编码关联的大水体编号为0，并统计流入当前工作栅格的上游模拟河网栅格数。此后，根据上游流入栅格数分别进行判别，如果流入数大于1，通过流入的模拟河网栅格对应的<汇流累积数>确定1个干流和若干支流，先对支流新建完整的支流处理流程对支流进行遍历，最后对干流栅格进行遍历处理；如果流入数等于1，则检查上游流入栅格位置的<单点分割>属性是否存在(即＝1)，如果存在需要对河网编码加1并记录上下游关系，然后继续对上游栅格进行循环遍历。

第六，从水系出口开始溯源遍历查找模拟河网栅格，并以每个栅格作为起点，根据栅格流向对非模拟河网栅格进行溯源遍历，将所有汇入当前模拟河网栅格的非模拟河网栅格陆面编码设置为流入模拟河网栅格的河网编码，模拟河网栅格位置的陆面编码等于其河网编码，计算流程如图6所示。

第七，对第六步得出的陆面编码进行翻转处理，即用流域最大的河网编码-对应栅格的陆面编码+1得到该栅格的子流域编码，并根据子流域编码和陆面编码的对应关系以及河网编码上下游关系构建子流域上下游拓扑关系表，表格样式见图5所示。根据这个拓扑关系表可以非常快捷地检索出某个子流域直接相邻上下游子流域编号。

Claims (8)

1.一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，以DEM数据为基础，计算待划分流域各栅格流向和汇流累积数，并基于汇流累积数采用某阈值提取模拟河网；

S2，设定一个伪河段长度阈值，使用该阈值将S1步骤提取的模拟河网中长度小于该阈值的河段删除；

S3，设定子流域划分的单点分割位置；

S4，将研究区内需要单独考虑的大面积水体进行编号，并参照模拟河网位置进行边界修改，使得大面积水体范围内的模拟河网是连通的；

S5，对模拟河网从流域出口开始依次对所述模拟河网栅格进行溯源检索，同时对各模拟河网栅格按河段进行编码，并记录各河网编码之间的上下游关系及所在大水体编号；

S6，以每一个模拟河网栅格作为起点，根据栅格流向对非模拟河网栅格进行溯源遍历，将所有汇入当前模拟河网栅格的非河网栅格的陆面编码设置为该模拟河网栅格的河网编码；模拟河网栅格位置的陆面编码等于其河网编码；

S7，对S6步骤确定的陆面编码进行翻转处理，即采用最大编码减去栅格的编码再加1，得到栅格的子流域编码，从而对整个流域进行划分，同时生成子流域上下游拓扑关系表；

步骤S1中提取模拟河网的阈值是定义某个栅格是属于模拟河网栅格或者非模拟河网栅格的汇流累积数大小，大于该阈值的栅格定义为模拟河网栅格，否则定义为非模拟河网栅格；

所述阈值通过试验从小逐渐加大，使得提取的模拟河网在源头区可以同实际河网源头相一致；

步骤S4中所述参照模拟河网位置进行边界修改的具体内容包括：当出现两个不同编号的大面积水体相临接的情况时，可通过修改所述两个大面积水体边界，使其分开或者将两个水体视做同一个水体进行处理；

步骤S6中具体包括：

从河流出口溯源遍历每一个模拟河网栅格，并以每个模拟河网栅格作为起点对所有非模拟河网栅格进行溯源遍历；

本步骤生成一个流域陆面编码的栅格图层，该编码是一个中间数据，用于S7步骤计算子流域编码，其中模拟河网栅格位置的陆面编码等于其河网编码，非模拟河网栅格的陆面编码等于其直接汇入的下游栅格的陆面编码；

河网编码只对应模拟河网栅格，陆面编码包括所有的河网栅格和非河网栅格。

2.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，S1中采用Gis软件的水文分析模块计算栅格流向和汇流累积数，具体包括：

所述栅格流向采用D8算法计算得出，即流向周边8个栅格中坡度最陡的栅格；汇流累积数是上游所有流入当前栅格的栅格数量。

3.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，

步骤S1中计算栅格流向之前，可对DEM进行修正，即将实际河网位置所在栅格高程降低，增强相应汇水能力，提高模拟河网正确性。

4.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

在进行提取前需要根据栅格边长大小，将伪河段长度阈值转化成栅格个数n；实际剔除过程是先剔除1个栅格长度的伪河段，再剔除2个长度的伪河段，依次类推直到剔除n个栅格长度的伪河段，这样做的原因在于防止将源头的分岔河段都剔除了。

5.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，步骤S3中：

所述单点分割位置指的是在子流域划分过程中，需要在对应位置设置控制断面，进而在模型模拟过程中可以给出该断面位置的径流过程，避免采用下游断面径流而引起误差；

所述单点分割位置包括水文站位置、山区平原区分界、水利枢纽位置、经济社会取水口位置、人为指定的其他分割位置中的一个或多个。

6.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，步骤S4中具体包括：

对所述大面积水体进行编号的时候，需要确保每个编号和每个独立的大面积水体一一对应，且不存在两个不同编号的水体相邻接；

当出现两个不同编号的大面积水体相临接的情况时，可通过修改所述两个大面积水体边界，使其分开或者将两个水体视做同一个水体进行处理；

大面积水体范围内的模拟河网连通指的是对其范围内的任意指定的一个模拟河网栅格，均能沿着范围内的模拟河网栅格连接到范围内的其他任意一个模拟河网栅格；

所述大面积水体包括水库、湖泊，所述大面积水体在模型模拟过程中需要划分到同一个子流域内。

7.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，步骤S5中：

所述的河网编码是从1开始的自然数序号，根据河段汇流情况逐渐增加；对位于同一河段的模拟河网栅格而言，上游模拟河网栅格编码等于其直接汇入的下游模拟河网栅格编码；当遇到步骤S3设置的单点分割位置或者有多个上游栅格汇入的情况或者上游汇入栅格所在大面积水体编号大于0，则上游模拟河网栅格编码等于下游模拟河网栅格编码+1；对于所在大面积水体编号大于0的模拟河网栅格而言，具有相同大面积水体编号的模拟河网栅格具有相同的河网编码，不论是否存在单点分割位置或者多个上游汇入；先对其内所有模拟河网栅格赋值大水体出口模拟河网栅格的河网编码，再对汇入其内模拟河网栅格的上游河段按正常编码规则逐一进行编码；

一般情况下水系出口处模拟河网栅格编码从1开始依次递增，如果遇到多个相互独立的水系一同编码时，对这些水系逐个进行，编码完一个水系后再编码另一个水系，且此时后一个水系出口处模拟河网栅格编码等于上一水系最大编码+1；

在流域范围内河段编码发生增加的时候，需要在外部记录下新编码和其下游编码的上下游关系信息以及所在大面积水体编号。

8.根据权利要求1所述的考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，步骤S7中：

所述子流域编码是步骤S6中得到的陆面编码进行翻转，即采用最大编码减去栅格的编码再加1，使得小编码的子流域位于流域上游，大编码的子流域位于流域下游,并根据步骤S5中河网编码上下游关系进行整理，得到子流域上下游拓扑关系表，用于模拟过程中表征各子流域之间的上下游关系。

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